天大简明版物化第八章界面现象.ppt

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1、第八章界面现象InterfacePhenomenon物理化学学习要求：理解界面张力的定义、物理意义及测定方法；掌握Laplace方程和Kelvin方程及其应用；亚稳状态及新相生成的热力学；固体表面的吸附重点掌握Langmuir单分子层吸附等温式；掌握接触角与润湿作用，Young方程及其应用；掌握界面吸附、表面过剩、Gibbs吸附等温方程及其应用；了解表面活性剂的结构特征及应用。7.1界面张力7.2弯曲表面下的附加压力及其后果7.3固体表面7.4液-固界面7.5溶液表面第八章界面现象引言引言界面(interface)是指所有两相的接触面。一般常把与气

2、体接触的界面称为表面(surface)。界面并不是两相接触的几何面，它有一定的厚度，一般约几个分子厚，故有时又将界面称为“界面相”。界面的结构和性质与相邻两侧的体相都不相同。界面相示意图物质分散的程度通常可用比表面积表示，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：例：水滴分散成微小水滴。分为1018个直径：10nm表面积：314.16m2直径：1cm表面积：3.1416cm2表面积是原来的106倍，具有独特的表面效应§7.1界面张力1.液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数表面层分子与内部分子相

3、比，它们所处的力场不同：在液体内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是球形对称的，各个方向的力彼此抵销；但是处在表面层的分子，则处于力场不对称的环境中。液体内部分子对表面层中分子的吸引力，远远大于液面上蒸气分子对它的吸引力，使表面层中分子恒受到指向液体内部的拉力，呈现独特性质。对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面

4、分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。在两相（特别是气-液）界面上，处处存在着一种张力，它可看成是引起液体表面收缩的单位长度上的力，指向液体方向并与表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用g表示，单位是N·m-1。表面张力(surfacetension)：将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂起来，活动边在下面，会发生什么？l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。如果

5、在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。(a)(b)由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。在温度、压力不变的条件下，为使液体增加单位表面时环境所需要对体系作的可逆非体积功，称为表面功。用公式表示为：表面功：由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之间的作用力对系统做功。γ称为表面功

6、，单位为J·m–2。(IUPAC以此来定义表面张力)恒温恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变表面吉布斯函数恒温恒压下，增加单位表面时系统所增加的Gibbs函数，单位为J·m-2。三者物理意义不同，但量值和量纲等同，单位均可化为N·m–1即：考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加dAs一项，即：2.热力学公式积分得当系统内有多个界面，则有系统恒温恒压下，界面吉布斯函数有自发减少的趋势，这是很多界面现象产生的热力学原因。在恒温恒压、各相中各物质的物质的量不变时，由相界面面积变化而引起系统的吉布斯函数变3.界面张力及其影响因素（1）界面张力与物

7、质的本性有关不同物质分子之间形成的化学键能不同，对界面上的分子影响不同。γ(金属键)>γ(离子键)>γ(极性共价键)>γ(非极性共价键)。两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。（2）温度对界面张力的影响温度升高体积膨胀，分子间距增加，相互作用减弱，所以界面张力一般随温度的升高而减小。临界温度下相界面消失，表面张力约为0。（3）压力等因素的影响压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性改善，一般表面张力下降。§7.2弯曲液面的附加压力及其后果1.弯曲液面的附加压力——拉普拉斯方程plpg一般情况下，液体表面是水平的，水平液面下液体所受压力即

8、为外界压力。图中为球形液滴的某一球缺，凸液面上方为气相，压力pg；下方为液相，压力pl,底面与球形液滴相交处